Invloed van de vezel-matrix interface op de materiaaldemping van vlas- en koolstofvezel-versterkte composieten

Sofie Huysman
 Invloed van de vezel-matrix interface op de materiaaldempingvan vlasvezel- en koolstofvezel-versterkte composietenSofie HuysmanPromotoren: prof. dr. ir. Wim Van Paepegem, prof. dr. ir. Kim VerbekenBegeleiders: ir. Joachim Vanwalleghem, lic. Linsey Lapeire, dr. ir. Ives de Baere Composieten zijn heterogene materialen. Ze worden gevormd door een matrixmateriaal, zoals een polymeer of een metaal, te versterken met vezels of nanodeeltjes. De afzonderlijke materialen voegen iets aan elkaar toe zodat verbeterde eigenschappen bekomen worden ten opzichte van de samenstellende componenten.

Invloed van de vezel-matrix interface op de materiaaldemping van vlas- en koolstofvezel-versterkte composieten

 

Invloed van de vezel-matrix interface op de materiaaldempingvan vlasvezel- en koolstofvezel-versterkte composieten

Sofie Huysman

Promotoren: prof. dr. ir. Wim Van Paepegem, prof. dr. ir. Kim VerbekenBegeleiders: ir. Joachim Vanwalleghem, lic. Linsey Lapeire, dr. ir. Ives de Baere

 

Composieten zijn heterogene materialen. Ze worden gevormd door een matrixmateriaal, zoals een polymeer of een metaal, te versterken met vezels of nanodeeltjes. De afzonderlijke materialen voegen iets aan elkaar toe zodat verbeterde eigenschappen bekomen worden ten opzichte van de samenstellende componenten. Kunstmatige vezels zoals koolstofvezels zijn reeds langer gekend als versterkingsmateriaal, maar nu de vraag naar ecologische toepassingen groter is dan ooit, vormen natuurlijke vlasvezels een goed alternatief.

Een van de eigenschappen die de vlasvezel zo interessant maakt, is het goede dempingsgedrag. Demping is immers een belangrijke parameter voor het ontwerp van structuren waarbij vibratie zoveel mogelijk gecontroleerd moet worden. Een typisch voorbeeld zijn toepassingen uit de sport, zoals tennisrackets en racefietsen. Goed dempende materialen kunnen trillingen opvangen zodat het lichaam van de sporter deze niet moet absorberen. Ook bij bouwkundige constructies is een goed dempingsgedrag aangewezen om sterke vibraties zoveel mogelijk te vermijden. Door materialen met een goede demping te gebruiken is het ook mogelijk constructies te ontwerpen die stiller functioneren. In deze masterproef werd het dempingsgedrag onderzocht van enerzijds composieten bestaande uit natuurlijke vlasvezels in een matrix van epoxyhars, en anderzijds composieten bestaande uit synthetische koolstofvezels in een matrix van epoxyhars.

In het eerste deel van de thesis werd een vlasvezel-epoxy composietplaat vergeleken met een koolstofvezel-epoxy composietplaat, beiden geproduceerd via het autoclaafproces. De vezels werden vooraf behandeld met een coating. Vervolgens werd het dempingsgedrag van deze composieten gemeten met akoestische golfexcitatie. Hierbij werden sinusgolven uitgezonden door een luidspreker waardoor het composiet ging vibreren. Bij het uitzetten van de luidspreker werd de demping van de plaat gedetecteerd door een vibrometer.

Het dempingsgedrag van het vlasvezel-epoxy composiet was beter dan dat van het koolstofvezel-epoxy composiet. Mogelijke parameters die dit gedrag kunnen beïnvloeden zijn het type vezel en de hechting tussen vezel en matrix. Theoretisch gezien geeft een zwakke vezel-matrix hechting aanleiding tot wrijving, wat zorgt voor energiedissipatie en een verbeterde demping. 

Om de vezel-matrix hechting te onderzoeken, werden beide composieten gebroken met een transversale driepuntsbuigproef. Dit leidde tot twee types breukoppervlak: een translaminair breukoppervlak, waarbij de vezels in de dwarsdoorsnede zichtbaar zijn, en een intralaminair breukoppervlak, waarbij de vezels in de langsrichting zichtbaar zijn (figuur 1).

 

Image removed.

Figuur 1: buigproef en types breukoppervlak

 

Deze breukoppervlakken werden bestudeerd met de rasterelektronenmicroscoop (SEM). Bij het translaminaire breukoppervlak wijst propagatie van de scheur langs de interface tussen vezel en matrix op een zwakke hechting, en bij het intralaminaire breukoppervlak wijst een glad vezeloppervlak met weinig resterend matrixmateriaal op een zwakke hechting. Bij het koolstofvezel-epoxy composiet verliep de scheur enkel langs de interface en was het vezeloppervlak glad (figuur 3). Bij het vlasvezel-epoxy composiet verliep de scheur zowel langs de interface als doorheen de vezels en was het vezeloppervlak vrij beschadigd (figuur 3).

Image removed.  Image removed.

Figuur 2: translaminair en intralaminair breukoppervlakvan het koolstofvezel-epoxy composiet

Image removed.  Image removed.

Figuur 3: translaminair en intralaminair breukoppervlakvan het vlasvezel-epoxy composiet

 

Dit deed een sterke vezel-matrix hechting vermoeden, maar vermits er weinig vergelijking mogelijk was met SEM-beelden uit de literatuur was het noodzakelijk de hechting verder te onderzoeken. Dit gebeurde in het tweede deel van de masterproef, door twee nieuwe vlasvezel-epoxy composieten te maken via het harsinjectie proces. Bij het eerste composiet werden de vlasvezels behandeld met een coating, bij het tweede composiet niet. Deze composieten waren dus volledig identiek op de coating van de vezels na, waardoor enkel de vezel-matrix hechting overbleef als variërende parameter.

Het dempingsgedrag werd opnieuw gemeten met akoestische golfexcitatie. Het vlasvezel-epoxy composiet met onbehandelde vlasvezels vertoonde een beter dempingsgedrag dan het composiet met behandelde vlasvezels. Op analoge wijze werden de breukoppervlakken van deze composieten onderzocht met de elektronenmicroscoop. In het geval van de behandelde vlasvezels propageerde de scheur zowel langs de interface als langs de vezels, en was het vezeloppervlak vrij beschadigd (figuur 4). Bij het composiet met onbehandelde vlasvezels verliep de scheur bijna enkel langs de interface en was het vezeloppervlak minder beschadigd (figuur 5).

 

Image removed.  Image removed.

Figuur 4 : translaminair en intralaminair breukoppervlakvan het vlasvezel-epoxy composiet met behandelde vlasvezels

Image removed. Image removed.

Figuur 5: translaminair en intralaminair breukoppervlakvan het vlasvezel-epoxy composiet met onbehandelde vlasvezels

 

Het eerste besluit volgt uit de vergelijking van de resultaten van het vlasvezel-epoxy composiet met behandelde vlasvezels en het vlasvezel-epoxy composiet met onbehandelde vlasvezels: omdat de vezel-matrix hechting bij het composiet met onbehandelde vlasvezels minder goed was, vertoonde dit composiet een beter dempingsgedrag. Bovendien konden de SEM-beelden van figuur 4 het vermoeden uit het eerste deel van de thesis bevestigen, namelijk dat het vlasvezel-epoxy composiet uit het eerste deel (figuur 3) een goede vezel-matrix hechting vertoonde.

Het tweede besluit volgt uit de vergelijking van de resultaten van het autoclaaf-geproduceerde koolstofvezel-epoxy en vlasvezel-epoxy composiet: ondanks de goede hechting bij het vlasvezel-epoxy composiet en de zwakke hechting bij het koolstofvezel-epoxy composiet, vertoonde het vlasvezel-epoxy composiet het beste dempingsgedrag. Dit betekent dat niet de hechting, maar het type vezel de bepalende parameter is voor het betere dempingsgedrag van het vlasvezel-epoxy composiet. De verklaring ligt in de natuurlijke oorsprong van vlasvezels. Vlasvezels hebben in tegenstelling tot synthetische koolstofvezels een poreuze multilagen structuur met een hol kanaal in het midden. Doordat trillingen zich langs deze verschillende lagen moeten voortbewegen tot in het binnenste kanaal, kan er meer energiedissipatie plaatsvinden, en bijgevolg een betere demping.

 

Bibliografie

 

-   J. DEGRIECK, Composieten, cursus universiteit Gent (2007)

-   D. WILLIAM & J. CALLISTER, Materials science and engineering: an introduction, 7de editie, 

        John Wiley & Sons Inc., New York (2007)

-   C. MEPLON, Van bakeliet tot composiet, De Standaard (2002, 2 november)

-   G. LUBIN & S. PETERS, Handbook of composites, 2de editie, Chapman & Hall, Cambridge (1998)

-   P. KIEKENS, Geavanceerde vezels en afgeleide materialen, cursus universiteit Gent (2009)

-   J. BAETS, The natural flax and hemp vegetation fibres of Europe, European confederation

       of flax and hemp (2011)

-   M. BOS, J. MUSSIG & M. VAN DEN OEVER, Mechanical properties of short-flax-fibre

       reinforced compounds, Composites part A, Volume 37, issue 10, (2006), 1591-1604

-   P. KIEKENS, vezelmaterialen, cursus universiteit Gent (2010)

-   D. CHUNG, Carbon fibre composites, 1ste editie, Butterworth-Heinemann, Newton (1994)

www.arrhenius.ucsd.edu/miakel/Miakel_B.html  (oktober 2011)

www.wikipedia.org/wiki/Thermosetting_polymer (oktober 2011)

-  A. BOLIJN, Thermoharders kort en bondig, Saxion Hogeschool (2008)

-  R. DEBDATTA, epoxy composites: impact resistance and flame retardancy,

        Smithers Rapra Press, Shawbury (2005)

-  L. NORWOOD, Handbook of polymer composites for engineers, 1ste editie,

        Woodhead Publishing Ltd, Cambridge (1994)

-  H. SUONG, Principles of the manufacturing of composite material, 1ste editie,

        DeStech Publications Inc., Lancaster (2009)

www.astorit.ch/fileadmin/publikationen_f/prepreg/ LY5150_Aradur5021_XB3471_E.pdf

-   J. DE THAYE, Autoclave manual for the production of flax UD and flax carbon test specimen,

        universiteit Gent (2009)

www.toraycfa.com/pdfs/M55JDataSheet.pdf (december 2011)

www.hexcel.com/Resources/DataSheets/Prepreg-DataSheets/M18_eu.pdf (december 2011)

-  N. LAMMENS, Autoclave manual to successful composite production, universiteit Gent (2009)

-  J. JEWETT & R. SERWAY, Physics for scientists and engineers with modern physics, 7de editie,

        Thomson Brooks/Cole, Londen (2008)

-  P. MACIOCE, Viscoelastic damping 101, Rouch Industries Inc., Livonia Michigan (2003)

-  M. COLAKOGLU, Damping and vibration analysis of polyethene fiber composite under varied

        temperature, Turkish J. Eng. Env. Sci., Volume 30 (2006) 351-357

-  J. VANWALLEGHEM, Study of the damping and vibration behavior of flax-carbon composite

        bicycle racing frames, thesis universiteit Gent (2010)

-  www. museeuwbikes.be/bikes/race/mf-5 (mei 2012)

-  J. RENNINGER, Understanding damping techniques for noise and vibration control, Plant

       engineering , Volume 33 (1984) 34-40

-  D. JONES, Handbook of viscoelastic vibration damping , 1ste editie, John Wiley & Sons,

        ChiChester (2001)

www.teacher.pas.rochester.edu/PHY235/LectureNotes/Chapter03  (maart 2012)

www.alpcentauri.info/damped_harmonic_motion.html (maart 2012)

-  J. DE THAYE, Determination of the static mechanical behaviour of flax-carbon raceframes,

        thesis universiteit Gent (2010)

www.lineo.eu/#!products  (maart 2012)

-  J. ARENAS & M. CROCKER, Recent Trends in Porous Sound-Absorbing Materials,

        Sound and vibration magazine (juli 2010)

-  M. JOHN & S. THOMAS, Biofibres and biocomposites, Carbohydrate Polymers,

        Volume 71, Issue 3 (2007) 343–364

-  M. JOHN & R. ANANDJIWALA, Chemical modification of flax reinforced polypropylene        

        composites, Composites part A, Volume 40, Issue 4 (2009) 442–448

-   H. WU & W. GU, Non-destructive characterization of fibre-matrix adhesion in composites

        by vibration damping, Journal of material science, Volume 32,  Issue 7 (1997) 1795-1798

-  S. KHAN, C. LI, N. SIDDIQUI & J. KIM, Vibration damping characteristics of carbon fibre-reinforced

        composites, containing multi-walled carbon nanotubes, Composites Science  and Technology,

        Volume 71, Issue 12 (2011) 1486-1494

-  L. YE, A. AFAGHI, G. LAWCOCK & Y. MAI, Effect of fibre/matrix adhesion on residual strength of

        notched composite laminates, Composites Part A, Volume  29, Issue 12 (1998) 1525–1533.

-  F. HOECKER, K. FRIEDRICH, H. BLUMBERG & J. KARGER-KOCSIS, Effect of fiber/matrix adhesion of

        on off-axis mechanical response in carbon–fiber/epoxy–resin composites, Composites Science

        and Technology, Volume 54, Issue 3 (1995) 317-327

-  G. LAWCOCK, L. YE, Y. MAI & C. SUN, Effects of fibre/matrix adhesion on carbon-fibre     

        reinforced metal laminates – I. residual strength, Composites Science and Technology,

        Volume 57, Issue 12 (1998) 1609-1619

 

-  E. GREENHALGH, Failure analysis and fractography of polymer composites, 1ste editie,

        Woodhead Publishing, Cambridge (2009)       

-   www.wikipedia.org/wiki/Buigproef (november 2011)

-  ASTM D790-03 Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and

        Reinforced  Plastics and Electrical Insulating Materials

www.labx.com/v2/adsearch/detail3.cfm?adnumb=413074 (maart 2012)

-  S. VAN  BIESEN, Evaluatie van schadefenomenen in vezelversterkte kunststoffen met behulp

        van elektronenmicroscopie, thesis universiteit Gent (2011)

-  R. PETROV, Materiaalkundige micro-analyse en structuurbepaling, cursus universiteit

        Gent (2011)

-  L. SAMUELS, Metallographic polishing by mechanical methods, 4de editie, ASM international,  

        Novelty Ohio (2003)             

-  E. CHANDLER & R. ROBERSON, Bioimaging : current concepts in light and electron microscopy,     

        1ste editie, John  and Bartlett Publishers, Sudbury (2009)

www.purdue.edu/rem/rs/sem.htm (februari 2012)

www.nanocenter.umd.edu/new_facilities/NispLab.php (februari 2012)

www.britannica.com/EBchecked/media/110970/SEM (februari 2012)

-  A. KHURSHEED, Scanning electron microscope optics and spectrometers, World scientific

        Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore (2011)

-  www4.nau.edu/microanalysis/Microprobe/Course%20Overview .html (februari 2012)

-  R. EGERTON, Physical principles of electron microscopy, 1ste editie, Springer, New York (2005)

http://facweb.cs.depaul.edu/sgrais/depth_of_field.htm (april 2012)

http://ncf.colorado.edu/instdocs/quickguides/SEM-ChargingEffects  (februari 2012)

-  C. BALEY, Analysis of the flax fibre tensile behavior and analysis of the tensile stiffness

        increase, Composites Part A, Volume 33, Issue 7 (2002) 939-948

www.hexion.com/Products/ShowTechnicalDataSheet.aspx?id=8246&Rev (april 2012)

-  K. ALLAER, User’s guide vacuum assisted resin transfer molding, universiteit Gent (2010)

-  L. DRZAL & M. MADHUKAR, Fibre-matrix adhesion and its relationship to composite  mechanical

        properties, Journal of material science, Volume 28, Issue 3 (1993) 569-610

 

Universiteit of Hogeschool
burgerlijk ingenieur materiaalkunde
Publicatiejaar
2012
Kernwoorden
Share this on: